深入探讨IP网与ATM网相结合的技术

1　背景

ATM技术是八十年代末由电信提出的，为实现包括话音、数据和图像在内的各种业务传输的宽带综合数据业务网B-ISDN而发展起来的网络技术。ATM技术的实质是电路交换和分组交换的综合。因此ATM技术具有很大的灵活性，任何时候都能按实际需要来占用资源;对特定业务，传送速率随信息到达的速率而变化;能够适应任何类型的业务，无论其速率高低、突发性大小、实时性要求和质量要求如何，都能提供满意的服务。ATM最初的思想就希望造就未来通信系统的统一平台，制定ATM规范的ATM论坛一直在通过各种手段向ATM中容纳进新的内容以保证ATM最初的目标。但这样造成ATM技术异常的复杂，标准化的过程缓慢。此外，昂贵的设备价格也是目前困扰ATM技术普及推广的一大因素，因此ATM一般只限于电信级骨干网的建设。

IP技术起源于六十年代，最初只用于计算机局域网的组建。近十年来，随着Internet的快速普及，IP技术广为流传，已经成为一种事实上的开放系统互联标准。IP技术实质上是一种不需要预先建立连接，而直接依赖于IP分组头信息决定分组转发路径的数据传输技术。IP技术的主要特点是：IP协议是一种网络级互联协议，容易实现异种网络的互联;采用无连接技术，特别适合于电子邮件、信息检索等非实时的短报文通信;具有统一的寻址体系，网络可扩展性强;采用独立服务的模块化结构，可以支持多种不同应用，容易增加新业务。IP技术所具有的最大优势在于，它可以运行在任何介质和网络上，可以保证异种网络的互通，即“IPovereverything”。随着宽带IP技术的发展，包括话音、数据和图像在内的各种业务均能在IP网上进行传输，出现了所谓的“EverythingonIP”的局面，IP业务也即将成为通信业务的主流。但IP技术在发展过程中也遇到了路由器瓶颈、服务质量难以保证等问题的困扰。

ATM和IP都是发展前景良好的技术，但它们在各自的发展过程中都遇到一些问题。如果把这两项技术结合起来，利用ATM网络为IP用户提供高速直达数据链路，即可以充分利用ATM网络的资源优势，发展ATM上的IP用户业务，又可以解决IP网络发展中遇到的问题，进一步推动IP业务的发展。

2　IP与ATM结合技术的分类

目前，IP与ATM结合技术主要分为两大类：重叠技术和集成技术。采用重叠技术时，IP层叠加在ATM层之上，ATM端点使用ATM地址选择协议将IP分组包选择路由。重叠技术的优点是采用标准的ATM论坛/ITU-T的信令标准，与标准的ATM网络及业务兼容;缺点是传送IP包的效率较低。采用集成技术时，ATM层被看作IP层的对等层，ATM端点只需使用IP地址来标识，在ATM网络内使用现有的网络层路由协议为IP分组选择路由，在建立连接时使用非标准的ATM信令协议。采用集成技术时，不需要地址解析协议，但增加了ATM交换机的复杂性，使ATM交换机看起来更像一个多协议的路由器。集成技术的优点是传送IP包的效率比较高，不需要地址解析协议;缺点是与标准的ATM技术融合较为困难。

3　重叠技术

重叠技术的实现方式具体来说主要有三种，分别是CIPOA(Classical IP over ATM)、LANE(LAN Emulation)和MPOA(Multi-protocol over ATM)。

3.1　CIPOA(ATM上的传统IP技术)

IETF工作组在RFC1483(AAL5上的多协议封装)和RFC1577(ClassicalIPandARPoverATM)两个文件中定义并规范了CIPOA。CIPOA的基本思想是利用IP对低层网络技术的包容能力，在ATM网上支持IP协议。它继承了IP的基本思想，仅把ATM网络看作与以太网、令牌环网等物理子网处于同样地位的一种异形子网。由于CIPOA规范只支持IP协议，所以它适用于只使用IP协议的互联网和局域网。利用该规范，用户可以在ATM网络上直接运行现存的基于IP的网络协议(如TCP、UDP)和基于IP应用协议(如WWW、FTP、NFS等)。CIPOA的协议结构如下所示：

网络层　IP

RCF1577

数据链路层　RCF1483

ATM层

物理层　物理层

CIPOA引入了逻辑IP子网(LIS)的概念，所谓LIS是指根据用户和网络管理者的连接要求，对直接连接到ATM网络的任意主机、路由器进行组合，这种组合形成了一个逻辑的IP子网，其中的主机和路由器可位于网络中的任何地方，即与它们的地理位置无关。不同的LIS相互独立操作和通信，在一个LIS内，IP包可以在点到点的ATM永久虚通道(PVC)和ATM交换虚通道(SVC)上传送，位于两个LIS内的主机间的IP连接需要经过一个路由器。

CIPOA网络的基本工作原理是：在每一个LIS内设有一个地址解析服务器(ARPServer)，负责完成IP地址和ATM地址的映射功能。当LIS中新增了一个IP主机时，该主机首先利用配置好的地址建立与ATM　ARP服务器的连接，ATMARP服务器检测到来自新主机的连接后，向该主机发送反向ARP请求(InARP)，从而获得新增主机的IP地址和ATM地址，并在ATM　ARP服务器中的IP地址-ATM地址映射表中进行登记。当一个主机需要向被叫发送IP数据报时，由于它不知道对方的ATM地址，所以首先向ATM　ARP服务器发送ARP请求，获得被叫的ATM地址，再建立到被叫的ATM连接并进行通信。

在重叠技术中，CIPOA技术成熟，实现简单，在LIS上传送的广播业务量很少，网络的资源利用率较高，同时简化了LIS内主机间的通信步骤，改善了时延特性。但两个LIS中的主机间进行通信时需要经过路由器，仍不能完全解决路由器瓶颈问题，并且每个LIS内都配置一个地址解析服务器，将引入额外的时延。此外，CIPOA只限于处理ATM上的IP协议，无法处理其它的网络层协议。

3.2　LANE(局域网仿真技术)

ATM论坛定义的局域网仿真(LANE)技术为在ATM网络上传送现有的LAN协议创造了条件。采用ATM局域网仿真技术时，对原局域网用户来说，ATM交换网络的各种功能(如呼叫建立、信元拆装等)都是透明的，原局域网终端的硬件和软件系统不需做任何改动，即可利用ATM网络提供的高速直达数据链路传送LAN协议包。

LAN是对局域网的媒体访问控制子层(MAC层)进行仿真，LANE的协议栈如下图所示：

网络层　IP、IPX等

LANE

数据链路层　RCF1483

ATM层

物理层　物理层

由ATM层替代传统LAN的MAC子层，成为物理层和逻辑链路之间的一层，因此局域网逻辑链路层以上的软件可以不做任何改动。LANE可以支持任何局域网的高层协议(如IP,IPX等)。

LANE的服务体系是基于CLIENT/SERVER的查询和响应模型。在一个仿真的局域网络(ELAN)中，需要配置局域网仿真客户机(LEC)、局域网仿真配置服务器(LECS)、局域网仿真服务器(LES)和广播/未知服务器(BUS)。LEC是所仿真的局域网的端系统，它向现有局域网提供MAC层的服务接口，代理原局域网中的所有终端向ATM网络传输数据，完成地址解析，实现整个ELAN中的所有终端间的通信。LECS负责保存仿真局域网中的局域网仿真客户机(LEC)配置信息，并向新安装的LEC发送LES的ATM地址，每个管理域只有一个LECS，它可为一个或多个仿真局域网(ELAN)提供服务。LES负责实现MAC地址与ATM地址的映射功能，每个ELAN只有一个LES，每个LES有一个专有的ATM地址来标识。BUS负责处理广播及未知的MAC地址，在仿真局域网内提供广播和组播传送功能。

LEC是如何与LES进行通信完成地址解析并把用户数据通过ATM数据直达链路传送给另一个真地址解析协议(LE-ARP)请求，询问收端的ATM地址。如果收端已在LES上注册，则LES就在LE-ARP应答中将收端ATM地址返回给发ARP请求转发给ELAN上的所有LEC，收端LEC收到该请求后，就在LE-ARP应答中将自己的ATM地址返回给LES，再由LES返回就通过ATM　SVC呼叫建立到收端的虚连接，并在其上进行数据传送。

LANE对局域网从MAC层进行仿真，屏蔽了网络层以及其上的高层协议，从而使ATM网络可以支持多种协议的传送。这既是它的优点，也是它的缺点。优点是为LAN用户的互连创造了便利条件，缺点是无法利用ATM的多业务及相应的特性，网络层的QOS(如IP协议中的RSVP)也无法对应到ATM交换结构中，同时由于最大帧大长度的限制，网络规模的扩展也受到限制;而且两个ELAN内的用户进行通信时要经过路由器，仍不能完全解决路由器瓶颈问题;最后，一个ELAN目前只能同时仿真一种局域网，不能完成异种局域网的转换问题。

3.3　MPOA(ATM上的多种协议技术)

为了克服LANE和CIPOA的局限性，ATM论坛推出了ATM上的多协议规范(MPOA)。MPOA集成了LANE、CIPOA、NHRP和Mars规范的功能，同时还引入了虚拟路由器的概念。MPOA是一个功能强大的网络层路由解决方案，使任何具有MPOA功能的设备都可以和另一台设备通过ATM交换建立直接连接，不必再经过中间的路由器。这种直接跨越ATM网络建立直接连接的技术有时也称为“直通”或“零跳”路由。

MPOA实际上采用了三种互补的技术来构成其基本功能：ATM论坛的局域网仿真(LANE)协议、IETF的下一跳解析协议(NHRP)以及虚拟路由器的概念。LANE是在ATM上仿真第二层的局域网技术，使得ATM透明于上层应用，是MPOA的一个内部组成部分，适用于子网内部的通信。NHRP提供了一种扩展的地址解析协议，是基于网络层的寻址技术，允许下一跳的客户在不同的逻辑子网间发送查询，从而允许子网间直接建立ATM连接，让确定的数据流不需使用中间的路由器。虚拟路由器是指将传统路由器的功能分离到网络中各个不同的组成部分中去，也就是说，将网络中一系列设备集合共同完成传统路由器在网络中的功能，从而降低了成本，提高了效率。

MPOA标准模型包括三个部分：边界设备、ATM直连主机和路由服务器。边界设备使用网络层和MAC层目的地址在传统的局域网与ATM接口间传送数据包，以使传统的局域网能够通过ATM进行高效传输。ATM直连主机具有能够实现多协议信息传输标准功能的ATM网络接口卡，它允许ATM直连主机的相互通信，并允许ATM直连主机通过边界设备与传统局域网进行通信。路由服务器是一组功能的集合体，它既可由作为单个产品实现，也可在现有路由器和交换机中构建，它使用某些路由协议算法和构造响应MPOA系统的请求。它完成网络层对ATM层地址的映射，对未知的服务器的多路广播以及对网络层、MAC层和ATM地址的维护功能。

MPOA系统规定了具体实现某种功能的逻辑组成部件：MPOA客户(MPC)和MPOA服务器(MPS)，它们可以在不同的硬件配置上实现。

MPC检测通信流，一旦发现就请求MPS为其提供收端的ATM地址，得到该地址后通过SVC呼叫建立到收端的ATM连接，并在其上传送数据;MPS负责维护本地的网络层、MAC层和ATM地址信息以及路由表，MPS处理来自MPC的址解析请求并作出应答，MPS之间通过NHRP进行联络，以解决跨子网的地址解析问题。

MPOA的实质是虚拟路由技术，即使用边界设备完成大部分交换功能，使用路由服务器建立路由表，为边界设备提供路由。它的优点是不仅能在一个子网内建立ATM虚通道连接，而且能够在不同的子网间建立直接的ATM虚通道连接，跨子网的通信不再经过路由器，解决了路由器瓶颈问题。缺点是系统结构比较复杂，具体实现比较困难。缺点是系统结构比较复杂，具体实现比较困难，而且仍存在一些问题需要解决，如基于NHRP协议的地址解析响应时间延迟较大等。

4　集成技术

目前有代表性的集成技术主要有三种：IP交换(IPSwitch)技术、标记交换(TagSwitch)技术和多协议标记交换(MPLS)技术。

4.1IP交换(IP Switch)

IP交换是Ipsilon公司提出的专门用于在ATM网络上传送IP分组的技术，它克服了CIPOA的一些缺陷，如在子网之间必须使用传统的路由器，提高了在ATM上传送IP分组的效率。

IP交换机由ATM交换机、IP交换控制器组成，IP交换控制器主要由路由软件和控制软件组成，ATM交换机的一个ATM接口与IP交换控制器的ATM接口相连，用于控制信号和用户数据的传送。在ATM交换机与IP交换控制器之间使用控制协议为RFC1987通用交换机管理协议(GSMP)，在IP交换机之间使用的协议是RFC1953Ipsilon流管理协议(IFMP)。GSMP是一个多用途的协议，使得IP交换控制器能对ATM交换机进行控制，完成直接ATM交换。它将IP交换控制器设置为主控制器，而把ATM交换机设置为从属被控设备，IP交换控制器利用该协议向ATM交换机发出各种要求，如：建立和释放经过ATM交换机的虚连接，在点到多点连接中增加或删除端点，进行配置信息查询等。IFMP用于在相邻的IP交换机控制器、IP交换网关或支持IFMP的网络接口卡之间的控制数据传送，以便把现有网络或主机接入IP交换网中或实现相应的控制功能。

IP交换网络将用户数据流分为两类：持续时间长、业务量大的用户数据流(如FTP数据、HTTP数据、多媒体音频、视频数据等)和持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据流(如DNS查询、SMTP数据、SNMP查询等)，对不同类型的流进行不同的处理。IP交换机的工作过程如下：

(1)IP交换机的ATM输入端口从上游节点接收输入业务流，并把这些业务流送往IP交换机控制器中的路由软件进行处理。IP交换机控制器根据输入业务流的TCP或UDP信头中的端口号码进行流分类。持续时间长、业务量大的用户数据流在ATM交换机硬件中直接进行交换;持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据流通过IP交换控制器中的IP路由软件进行传输，即与传统路由器一样，也是一跳接一跳(hopbyhop)进行存储转发传送。

(2)一旦一个业务流被标识为直接ATM交换，IP交换控制器将要求上游节点把该业务流放在一条新的虚通道上。

(3)如果上游节点同意建立虚通道，则该业务流就在这条虚通道上进行传送。

(4)同时，下游节点也要求IP交换控制器为该业务流建立一条呼出的虚通道。

(5)通过步骤(3)和(4)，该业务流被分离到特定的呼入虚通道和呼出虚通道上。

(6)通过旁路路由，IP交换控制器指示ATM交换机完成直接交换。

IP交换的实质是基于信息流的传输方案，它的特点是对于持续时间长，业务量大的用户数据流，利用ATM虚通道进行传输，因此传输时延小、容量大;而对于持续时间短、业务量小，呈突发分布的用户数据流，使用IP路由软件进行传输，从而节省了建立ATM虚电路的开销，提高了传输效率。IP交换的缺点是只支持IP协议，同时它的效率有赖于具体的用户业务环境，对于大多数是持续时间长、业务量大的用户数据情况下，能获得较高的效率;但对于大多数是持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据的情况下，IP交换的效率将大幅降低。

4.2　标记交换(Tag Switching)

标记交换是Cisco公司提出的一种多层交换技术，它把ATM第二层交换技术和第三层路由技术结合起来，能充分利用ATM的QOS特性、支持多种上层协议，是一种性能比较优越的IP和ATM结合技术。

在标记交换网络中，处于边缘的路由器将每个输入帧的第三层地址映射为简单的标记，然后把帧转化为打了标记的ATM信元;打了标记的信元被映射到虚通道上，在网络核心由ATM交换机进行标记交换，并使用路由器与交换机直连，用于保存标记信息，实现寻找第三层路由的功能;最后，目的地的边缘路由器去掉信元中的标记，把信元转换为帧并将其送往接收用户。

在标记交换网络中的边缘路由器主要根据下列信息对IP包加上标记：

(1)目的地址前缀：以路由表中的路由为基础，允许来自多个源地址的IP包向同一个目的地址发送时共享同一个标记，从而节省了标记资源。

(2)边界路由：对标记交换系统的边缘路由器进行标记分配。在某些情况下，这种技术使用的标记比使用目的地址前缀技术少。

(3)业务量调节：使IP包沿着指定的且与路由算法选择的不同的路径流动，从而允许网络管理人员平衡中继线路上的负荷。

(4)应用业务流：同时考虑IP包的源地址和目的地址，以提供对诸如QOS等特性更精确的控制。

标记交换的关键在于采取基于拓扑结构的选路方式。它使用标记分配协议(TDP)与第三层路由协议，在标记交换网络的各设备间分发标纪信息，共同建立合适的直通路由。采用此种技术，使得只有在网络拓扑结构发生变化时，才需要使用TDP重新计算节点的标记，从而大幅度地了降低了整个网络的开销。

标记交换的主要优点是：标记交换不依赖于路由过程中使用的特定网络层协议，因此标记交换技术支持不同的路由协议(如OSPE、BGP、OSIISIS等)以及各种网络层协议(如IP、IPX等);标记交换还借助标准的多点广播协议，利用ATM交换机现有的广播硬件支持多点广播功能;另外，通过为不同的服务质量等级分配不同的标记，并在标记交换机中使用排队和缓冲机制加以控制，使得标记交换可以保证具有一定服务质量要求的用户数据的传送;在网络内部，标记交换机按照信元上的标记进行寻路，不再依赖于特定的第三层地址(如IP地址)，使得网络的分级组织容易实现，网络的扩展能力较强。标记交换技术实际上已将ATM交换机用作多协议路由器，从而形成了更加统一的网络模型并增加了网络间配置的共同性。

标记交换虽然有很多优点，但由于标记交换是Cisco的专有技术，要求网络中端到端都有Cisco的设备才能完成通信，推广使用受到了限制。

4.3MPLS(多协议标记交换)

近来MPLS越来越引起人们的关注，人们普遍看好MPLS在广域网中的应用。作为一种ATM与IP相结合的技术，MPLS是在标记交换的基础上发展而来，并正成为集成技术的标准模型。目前，IETF已制定了MPLS标准草案。

MPLS网络由核心部分的标签交换路由器(LSR)和边缘部分的标签边缘路由(LER组成)。LER位于ATM骨干网络的边缘并作为MPLS的入口/出口路由器。LER执行全部的第三层功能;运行标签分发协议(LDP)，实现标签的分配、绑定功能。LSR执行的标准交换可以看作ATM交换机和传统路由器的结合，具有第三层转发分组和第二层交换分组的功能。

MPLS的基本思想是采用标记交换的机理，是一种基于拓扑结构的选路机制，MPLS网络的工作过程一般包括以下4个步骤：

(1)使用现有的路由协议，例如OSPF、IGRP等建立到终点网路的连接，同时使用LDP完成标签到终点网路的映射。

(2)输入端LER接收到分组，完成第三层功能，并对分组进行标签粘贴。

(3)LSR对带有标签的分组不再进行任何第三层处理，只依据分组上的标签进行交换。

(4)由输出端的LER去掉标签，并传送分组给终端用户。

MPLS的主要特点是：MPLS在网络中的分组转发是基于定长标签，由此简化了转发机制，使得转发路由器容量很容易扩展;充分采用原有的IP路由，在此基础上加以改进，保证了MPLS网络路由的灵活性;采用ATM的高效传输变换方式，抛弃了复杂的ATM信令，无缝地将IP技术的优点融合到ATM高效硬件转发中;MPLS网络的数据传输和路由计算分开，是一种面向连接的传输技术，它同时支持X.25、帧中继、ATM、PPP、SDH、DWDM等，保证了多种网络的互联互通，将各种不同的网络传输技术统一在同一个MPLS平台上，即MPLS垫层;MPLS支持大规模层次化的网络拓扑结构，具有良好的网络扩展性;MPLS的标签合并机制支持不同的数据流的合并传输，提高了网络传输效率;MPLS网络中显示路由的直接使用，使得流量工程的应用变得简单，增强了IP网络流量控制和自愈恢复能力，为支持更多的新业务提供了保障;同时MPLS在保证连接可靠性的条件下取消了专线连接的要求，使得各种新业务可以在基于MPLS的IP网上实现;MPLS技术进一步促进了网络功能的划分，它将复杂的事务处理推到网络边缘去完成，核心网只负责完成传送功能，这有利于在一个规模庞大的网络中维护IP协议的扩展性;MPLS网络中标签堆的使用将庞大的路由表变得很小，极大地改善了路由扩展能力。

此外，MPLS还具备以下优势：首先是将先进技术迅速转化为实际的应用产品的问题。一方面在于MPLS在定长标签的严格区配下简化了转发过程，而且这个转发的硬件基础是便宜、成熟的ATM交换技术，这大大减少了设备制造商的研发投资，加快了MPLS设备的面市时间和产品的成熟稳定性。另一方面由于MPLS将路由与分组转发从IP网中分离开来，这使得在MPLS网中可以通过修正转发方法来推动路由技术的演进，新的路由技术可以在不间断网络运行的情况下直接应用到网络中，而不必改动现有路由器上的转发技术，这是目前的各种网络技术不易做到的。其次，MPLS简化了ATM与IP的集成技术，推动了它们的统一，从而起到平衡用户在ATM和IP网上的巨大投资，消除了现有网络的限制，由此减少了网络维护成本和扩展性问题。总之，MPLS可用于多种链路层技术，做到对下层与上层的多协议，最大限度地兼顾了原有的各种技术，保护了现有投资和网络资源，促进了网络互连互通和网络的融合。

MPLS目前仍有一些问题还在研究之中，如MPLS与PSTN之间信令的转换和交互式通信的平滑性问题;如何将MPLS与光纤传输网(OTN)、DWDM技术结合起来，实现交叉连接与标签交换的统一;MPLS的组播技术和MPLS的网络管理的还需要进一步完善;如何实现MPLS到桌面的应用;如何将MPLS技术引入到无线网络中等。

综上所述，交换功能与路由功能的结合是当网络技术发展的一种趋势。ATM技术与IP技术为目前两大最优秀的网络技术，必将不断融合，终实现统一。